La fusión se viene anunciando desde hace décadas como la energía del futuro, libre de todos los inconvenientes de la nuclear convencional (fisión). Sin embargo, en este artículo abordamos la factibilidad de una fusión antropogénica, sus costes, combustibles necesarios y consecuencias, muy distintas al tecno-optimismo reinante. Nos lo cuenta un extrabajador del laboratorio físico de plasma en Princeton durante 25 años.
Por Daniel Jassby
Artículo publicado originalmente en Beyond Nuclear International.
Para compensar la dependencia de tritio para usarlo como combustible en un reactor de fusión, los reactores de fisión deben seguir usándose para producir suficientes cantidades de tritio. Una situación que conduce a una perpetua dependencia de la fisión, con los mismos problemas de siempre. Porque la producción externa de tritio es increíblemente cara, es aún probable que solo los reactores de fusión que emplean exclusivamente deuterio se vuelvan prácticos en lo que al combustible se refiere. Esta circunstancia agrava el problema de la proliferación nuclear discutida anteriormene.
El consumo de energía parasitario
Además de los problemas con el combustible, los reactores de fusión tienen otro: consumen una gran cantidad de la energía que ellos mismos producen. Lo que en la industria eléctrica se conoce como consumo de energía parasitario, pero a escala mucho mayor de lo que hemos conocido hasta ahora. Esto se deriva de que la fusión tiene dos parásitos distintos. En primer lugar, varios sistemas auxiliares esenciales que deben mantenerse de manera continua incluso cuando el plasma se encuentra inactivo. Es decir, durante cortes planeados y no planeados por igual. Entre 75 y 100 megavatios de electricidad se consumen continuamente para la refrigeración de helio líquido, el bombeo de agua, de vacío, calentamiento, ventilación y aire acondicionado en varios edificios, procesamiento de tritio y demás, como se ejemplifica con las instalaciones del ITER en Francia. Cuando el proceso de fusión se interrumpe por lo que sea, se debe comprar esta energía de fuera.
La segunda categoría del consumo parasitario es la energía necesaria para controlar el plasma de la fusión en los sistemas de fusión de confinamiento magnético. Y para prender cápsulas de combustible en sistemas de fusión de confinamiento inercial. El plasma de fusión de confinamieno magnético necesita que se le inyecte una importante cantidad de energía de haces atómicos o energía electromagnética para estabilizar el proceso, mientras que se consume una energía adicional con las espirales magnéticas que ayudan a controlar la localización y estabilidad del plasma en reacción. La electricidad total necesaria para este propósito se lleva, al menos, un 6% de la generada. Y la electricidad para bombear la refrigeración de la capa, un 2%. La producción eléctrica bruta es del 40% de la energía de fusión, así que la energía de circulación implica el 20% de la producción eléctrica.
En la fusión de confinamiento inercial y los reactores de fusión de confinamiento inercial/magnético híbridos, tras cada pulso, la corriente eléctrica debe cargar los sistemas de almacenamieno energético como la batería de condensadores que alimentan los haces de rayos láser o de iones o el forro de la implosión. Las demandas de la energía de circulación son, como mínimo, comparables con los de la fusión de confinamiento magnético.
El consumo de energía descrito más arriba se deriva de la producción energética del reactor. Si la energía de fusión es de 300 megavatios, la producción eléctrica total será de 120 megavatios y apenas cubrirá las necesidades energéticas de la instalación. Al aumentar la energía de fusión, el consumo del reactor de fusión se vuelve un porcentaje inferior, reduciéndose a la mitad cuando se alcanzan los 830 megavatios. Para tener cualquier viabilidad económica, se deben compensar los gastos operacionales y de capital. Y para ello, la nuclear de fusión debe producir miles de megavatios para reducir el consumo parasitario. En resumen, menos de cierta producción (alrededor de 100 megavatios) implica que el consumo parasitario se lleva un porcentaje demasiado alto, incluso para operar la central.
Los problemas del consumo parasitario y la reposición de combustible son, de por sí, significantes. Pero los reactores de fusión tienen otros que también afligen a los de fisión, como el daño por la radiación de los neutrones, los residuos radioactivos, la potencial liberación de tritio, la cargante necesidad de refrigeración, costes de operación externos y el riesgo de proliferación de armas nucleares.
Deterioro por radiación y residuos radioactivos
Para producir un calor utilizable, los flujos de neutrones que contienen un 80% de la energía de la fusión de deuterio-tritio deben ser desacalerados y enfriados por las estructuras del reactor, la capa envolvente que contiene litio, y la refrigeración. El deterioro por la radiación de los neutrones en las paredes de la vasija, con toda seguridad, será peor que en los reactores de fisión por la mayor energía de neutrones. Los neutrones de la fusión también elimina los átomos de sus habituales posiciones en el entramado, causando la fracturación y la expansión de la estructura. Además, las reacciones inducidas por neutrones generan grandes cantidades de helio instersticial e hidrógeno, generando bolsas de gases que contribuyen con mayor expansión, debilitamiento y fatiga. Estos fenómenos hacen peligrar la integridad de la vasija del reactor.
En los reactores con combustible exclusivo de deuterio, más difícil de prender que la mezcla deuterio-tritio, el producto de la reacción de neutrones tiene cinco veces menos energía y los flujos de neutrones dañan menos las estructuras. Pero las consecuencias seguirán siendo muy ruinosas a largo plazo.
El problemas de las estructuras degradadas por los neutrones pueden mitigarse con la fusión, ya que la cápsula del combustible está cercada por una esfera o cilindro de litio líquido con un grosor de un metro. Pero los elementos combustibles se transformarán en toneladas de residuos radioactivos que habrán de retirarse todos los años de todos los reactores. El litio fundido también presenta un riesgo de fuego y explosiones, introduciendo un inconveniente común de los reactores de fisión.
El bombardeo con neutrones de fusión elimina a los átomos de sus posiciones estructurales y, a la vez, los vuelve radioactivos y debilita su estructura, que debe reemplazarse periódicamente. Esto resulta en descomunales cantidades de material altamente radioactivo que debe transportarse fuera de la central para ser enterrado. Muchos componentes no estructurales dentro de la vasija del reactor y en la capa también se volverán radioactivos por la activación de los neutrones. Mientras que el nivel de radioactividad por kilogramo de residuo sería inferior al de los residuos de fisión, el volumen y masa de aquellos serían mucho mayores. Es más, parte del deterioro por radiación y la producción de residuo radioactivo no tendría fin, porque una proporción de la energía de fusión se genera solo para compensar la energía perdida.
Los científicos esán intentando desarrollar aleaciones estructurales de baja activación que permitiría la cualificación de materiales del reactor descartados como residuos radioactivos de bajo nivel, de los que se desharían mediante entierros poco profundos. Incluso si dichas aleaciones se volvieran disponibles a escala comercial, muy pocas regiones o países podrán aceptar los vertederos de residuos radioactivos. Solo hay uno o dos almacenes para este tipo de residuos por país, lo que significa que los residuos de la fusión se tendrían que transportar a lo largo del país o incluso más allá, con un gran coste económico y riesgo para la seguridad.
Para reducir la exposición a la radiación de los trabajadores de la central, se vuelve necesaria la protección biológica incluso cuando el reactor no está operando. En un entorno intensamente radioactivo, el equipo de control remoto y los robots serán esenciales para todo trabajo con los componentes del reactor, con el reemplazamiento por deterioro, erosión de partículas o derretimiento. Estas dificultades convertirán reparaciones mínimas en procesos costosos y largos.
La proliferación de armas nucleares
La producción oficial o clandestina de plutonio 239 es posible en un reactor de fusión simplemente mediante la colocación de óxido de uranio natural o gastado en cualquier lugar donde los neutrones de cualquier energía estén volando por todas partes. El océano de los neutrones ralentizados que resulta de la dispersión de los neutrones en la vasija lo impregna todo en el interior del reactor, incluyendo los apéndices de la vasija. Los neutrones más lentos serán absorbidos por el uranio 238, cuya capacidad para absorber aumenta conforme decrece la energía de los neutrones.
Dadas las dudosas perspecivas de la reposición de tritio, los reactores de fusión podrían necesitar la energía de dos reacciones de deuterio-deuterio que tienen la misma probabilidad de producir neutrones y helio 3, o protones y tritio. Ya que la producción de tritio no es necesario, todos los neutrones de fusión están disponibles para cualquier uso, incluyendo la producción de plutonio 239 o uranio 238.
Es todo un desafío alcanzar el umbral de rentabilidad energética con las reacciones de deuterio-deuterio porque su reactividad total es 20 veces inferior a las de deuterio-tritio, incluso con mayores temperaturas. Pero un “reactor de prueba” que se alimenta con deuterio con 50 megavatios para el calentamiento y produciendo solo 5 megavatios de energía de fusión deuterio-deuterio generaría 3 kgs de plutonio 239 anuales al absorber solo el 10% de los neutrones de uranio 238. La mayor parte del tritio de la segunda reacción de deuterio-deuterio se podría recuperar y quemar, y los neutrones de deuterio-tritio producirán aún más plutonio 239, por un total de quizá 5 kgs. A todos los efectos, el reactor transforma electricidad en neutrones y tritio libres, por lo que, si se alimenta con deuterio, puede convertirse en una herramienta para la proliferación nuclear.
Un reactor que se alimenta con deuterio-tritio o solo con deuterio tendrán un inventario de muchos kilogramos de tritio, proveyendo de oportunidades para la nuclear militar. Como con los reactores de fisión, se necesitarían los salvoconductos de la Organización Internacional de la Energía Atómica para prevenirlo.
Continúa en la tercera parte.
Daniel Jassby, físico nuclear
Traducción de Raúl Sánchez Saura.
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Fuente:
Daniel Jassby, Confusión con la fusión II, 3 abril 2023, El Salto Diario.
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